(57)【要約】【課題】  鋼材の評価を精度よく行い、長寿命の転がり支持装置を提供する。【解決手段】  転がり支持装置を構成する少なくとも一つを、質量比でＯが９ｐｐｍ以下、Ｔｉが２５ｐｐｍ以下、およびＮが９０ｐｐｍ以下であり、且つ、極値統計法による推定値で、面積３００００ｍｍ2 あたりに存在するＴｉ系介在物の最大径が２０μｍ以下である高炭素クロム軸受鋼で形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材および第二部材と、前記第一部材および第二部材間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材が前記第二部材に対して相対運動する転がり支持装置において、
前記第一部材、第二部材、および転動体の少なくとも一つが、質量比でＯが９ｐｐｍ以下、Ｔｉが２５ｐｐｍ以下、およびＮが９０ｐｐｍ以下の高炭素クロム軸受鋼で形成されていることを特徴とする転がり支持装置。
【請求項２】
前記高炭素クロム軸受鋼は、極値統計法による推定値で、面積３００００ｍｍ2 あたりに存在するＴｉ系介在物の最大径が２０μｍ以下となっていることを特徴とする請求項１に記載の転がり支持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受、ボールねじ、およびリニアガイドなどの転がり支持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の転がり疲労寿命や音響寿命には、転がり軸受を構成する鋼材中に存在する非金属介在物、特に酸化物系介在物の数や大きさが大きな影響を及ぼしていることが知られている。
このため、鋼材中に存在する酸化物系介在物の数や大きさを検査し、それらの許容範囲を特定することによって、転がり疲労寿命および音響寿命をできる限り長くしようとする方法が各種提案されている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１では、鋼材中に存在する酸化物系介在物を光学顕微鏡で観察し、この酸化物系介在物の許容範囲を特定するとともに、鋼材中の酸素濃度を一定値以下とした鋼材およびこれを用いた転がり軸受が提案されている。
また、下記特許文献２および３では、鋼材中に存在する硬質酸化物系介在物以外の成分を酸溶液により溶解させることで硬質酸化物系介在物のみを選別し、この硬質酸化物系介在物の許容範囲を特定した鋼材が提案されている。
【０００４】
さらに、下記非特許文献１では、鋼材の清浄度を評価する方法として、極値統計法が提案されている。
【特許文献１】特許第３０１８３５５号公報
【特許文献２】特開平９−１２５１９９号公報
【特許文献３】特開平９−１２５２００号公報
【非特許文献１】村上敬宜著「Ｍｅｔａｌ  Ｆａｔｉｇｕｅ：Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｓｍａｌｌ  Ｄｅｆｅｃｔｓ  ａｎｄ  Ｎｏｎｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ」（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ社、２００２年出版）、３２５〜３４４頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、酸化物系介在物の存在状況と転がり疲労寿命との相関が良好ではないため、鋼材の評価を精度よく行えないという問題がある。
また、上記特許文献２および３に記載の技術では、硬質酸化物系介在物以外の成分を溶解させるための酸溶解に時間がかかるため、介在物自身が融解・凝集する場合がある。よって、この特許文献２および３に記載の技術では、鋼材の評価を精度よく行えない場合がある。
さらに、近年、鋼材中に含まれる酸化物系介在物を起点とする剥離に加えて、鋼材中に含まれるＴｉ系介在物を起点とする剥離が目立ってきている。このため、酸化物系介在物の許容範囲のみを特定している上記特許文献１〜３に記載の技術では、鋼材の評価を精度よく行うという点で未だ改善の余地がある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、鋼中に含まれる酸化物系介在物およびＴｉ系介在物の許容範囲を特定することで、鋼材の評価を精度よく行い、転がり疲労寿命および音響寿命を向上させた転がり支持装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような課題を解決するために、本発明は、互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材および第二部材と、前記第一部材および第二部材間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材が前記第二部材に対して相対運動する転がり支持装置において、前記第一部材、第二部材、および転動体の少なくとも一つが、質量比でＯが９ｐｐｍ以下、Ｔｉが２５ｐｐｍ以下、およびＮが９０ｐｐｍ以下の高炭素クロム軸受鋼で形成することを特徴とする転がり支持装置を提供する。
【０００７】
本発明の転がり支持装置では、前記高炭素クロム軸受鋼は、極値統計法による推定値で、面積３００００ｍｍ2 あたりに存在するＴｉ系介在物の最大径が２０μｍ以下となっていることが好ましい。
なお、本発明におけるＴｉ系介在物とは、Ｔｉを含む化合物からなる介在物を指し、例えばチタン窒化物、チタン炭化物、チタン炭窒化物が挙げられる。
また、本発明の転がり支持装置とは、転がり軸受、ボールねじ、リニアガイドなどを指す。
ここで、本発明において、高炭素クロム軸受鋼に含まれるＯ（酸素）を９ｐｐｍ以下とすることにより、鋼中に存在する酸化物系介在物の数が減少するため、転がり疲労寿命および音響寿命を長くできる。
【０００８】
また、高炭素クロム軸受鋼に含まれるＴｉ（チタン）を２５ｐｐｍ以下とすることにより、鋼中にＴｉ炭化物やＴｉ炭窒化物が微細に分散する。これに伴って、マトリックスが強化されるため、高荷重・高振動が緩和されるとともに、マトリックスの組織変化を抑制し且つ遅延させることができる。よって、転がり疲労寿命および音響寿命を長くできる。  さらに、高炭素クロム軸受鋼に含まれるＮ（窒素）を９０ｐｐｍ以下とすることにより、鋼中に存在するＴｉ窒化物の数を抑制できるため、転がり疲労寿命および音響寿命を長くできる。
【０００９】
さらに、本発明者らは、近年の製鋼プロセスの向上に伴い、酸化物系介在物の大きさが小さくなっていることと、Ｔｉ系介在物は酸化物系介在物に比べて小さな寸法でも転がり疲労寿命および音響寿命に影響を及ぼしていることに着目した。そして、鋼中の酸化物系介在物の許容範囲をさらに狭くするよりも、鋼中のＴｉ系介在物の許容範囲を特定することにより、鋼材の評価を精度よく行えることを見出した。すなわち、転がり疲労寿命および音響寿命を長くするためには、極値統計法による推定値で、高炭素クロム軸受鋼の面積３００００ｍｍ2 あたりに存在するＴｉ系介在物の最大径を２０μｍ以下とすることが好ましい。
【００１０】
なお、極値統計法により推定する際に設定する面積は、あまりに小さい値に設定すると、異なる鋼材間での介在物の最大径の大きさの差が小さくなるため、鋼材間の差別化が難しくなる。一方、この面積をあまりに大きな値に設定すると、評価の精度が落ち、介在物の最大径が大きくなるため、現実とかけ離れる。よって、本発明では、極値統計法により推定する際に設定する面積を３００００ｍｍ2 とした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の転がり支持装置によれば、転がり支持装置を構成する少なくとも一つの部材を、Ｏ，Ｔｉ，Ｎの各含有量の許容範囲を特定した高炭素クロム軸受鋼で形成することによって、鋼中に酸化物系介在物およびＴｉ系介在物が形成され難くなるため、転がり疲労寿命および音響寿命が長くなる。
また、高炭素クロム軸受鋼中に含まれるＴｉ系介在物の最大径を特定することによって、Ｔｉ系介在物が起因となって部材に形成される剥離が生じ難くなるため、転がり疲労寿命および音響寿命がより長くなる。
さらに、高炭素クロム軸受鋼中に含まれるＴｉ系介在物の最大径を極値統計法を用いて特定していることによって、この評価結果と転がり疲労寿命および音響寿命との相関が良好となるため、部材の評価を精度よく行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の効果を実施例および比較例に基づき検証する。
高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）をベースとして、Ｏ，Ｔｉ，Ｎが表１に示す各含有量となるように溶製した鋼を棒状に鋳造した後、この棒状の鋼材（以下、「棒材」と称す。）に対して均熱拡散処理、熱間圧延処理、および球状化熱処理を施した。これにより、実施例１〜５および比較例１〜３の棒材を作製した。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
得られた各棒材について、鋼中のＴｉ系介在物および酸化物系介在物の最大径を、極値統計法により推定した。
まず、直径６０ｍｍの各棒材を、その圧延方向（棒材の長手方向）に沿って中心線を通るように切断した後、切断面の表面に鏡面仕上げを施した。この切断面の表面を検査対象面とした。
なお、一般に圧延などが施されて得られた棒材では、その外周から中心部に向かって介在物径が大きくなり、清浄度が低下している。このため、直径の大きな棒材では、前述の切断面のうち、その径方向端部から中心部に向かって直径の３０％以上入り込んだ部分（つまり、中心部近傍で直径の４０％以下の部分）を検査対象面として用いることが好ましい。
【００１５】
次いで、各棒材の検査対象面において、検査基準面積Ｓ0 ＝３００ｍｍ2 中に存在する酸化物系介在物およびＴｉ系介在物を観察してそれぞれの最大介在物を見つけ、その面積Ａmax をそれぞれ測定した。そして、最大介在物の面積Ａの平方根√（Ａmax ）（以下、「最大介在物平方根長さ」と称す。）を、最大介在物の寸法とした。この検査対象面の観察は、検査基準面積Ｓ0 ＝３００ｍｍ2 において、その検査部分が重複しないようにｎ＝１０回行った。
【００１６】
次いで、測定した各１０個の酸化物系介在物およびＴｉ系介在物の最大介在物平方根長さ√（Ａmax ）を小さいほうから順に並べて、それぞれに番号ｊ（＝１〜１０）を付けた。そして、下記式（１），（２）を用いて、累積分布関数Ｆj （％）および基準化変数ｙj を計算した。
Ｆj ＝｛ｊ／（ｎ＋１）｝×１００                            ・・・・・（１）
ｙj ＝−ｌｎ［−ｌｎ｛ｊ／（ｎ＋１）｝］                    ・・・・・（２）
【００１７】
次に、極値確率用紙の横軸に最大介在物平方根長さ√（Ａmax ）をとり、縦軸に累積分布関数Ｆj および基準化変数ｙj をとり、１から１０までの介在物のデータをプロットした。そして、基準化変数ｙj および最大介在物平方根長さ√Ａmax について、最大介在物分布直線を計算した。この最大介在物分布直線は、下記式（３) 〜（５）で示すことができる。
√（Ａmax ）＝ａ×ｙ＋ｂ                                    ・・・・・（３）
ｙ＝−ｌｎ［−ｌｎ｛Ｔ−１）／Ｔ｝］                        ・・・・・（４）
Ｔ＝（Ｓ＋Ｓ0 ）／Ｓ0                                       ・・・・・（５）
但し、上記（３）〜（５）式中のａ、ｂは最小二乗法により決まる定数、ｙは基準化変数、Ｔは再帰期間、Ｓは最大径の推定を行う面積 (以下、「推定面積」と称す。）、Ｓ0 は検査基準面積をそれぞれ示す。
【００１８】
そして、推定面積Ｓを３００００ｍｍ2 に設定し、上記式（３) 〜（５）を用いて、推定面積Ｓ＝３００００ｍｍ2 に存在する酸化物系介在物およびＴｉ系介在物の最大介在物平方根長さ√（Ａmax ）を推定した。これが、推定面積Ｓあたりに存在する酸化物系介在物およびＴｉ系介在物の最大径に相当する。この結果は、表１に併せて示す。
次に、以下の方法で呼び番号６２０６の深溝玉軸受を作製した。
【００１９】
まず、前述の各鋼を用いてリング状の鋼材を作製し、これを深溝玉軸受用外輪の形状に切り出した後、８４０℃で焼入処理、１８０℃で焼戻処理を施した。次いで、これに対して、さらに仕上げ研磨を行うことにより、上記呼び番号の深溝玉軸受用外輪を作製した。そして、この外輪と、軸受鋼から形成した深溝玉軸受用内輪および転動体とを組み立てて、上記呼び番号の深溝玉軸受を完成させた。
なお、外輪および内輪はいずれも、表面硬さをＨＲＣ５９〜６４、残留オーステナイト量を１０〜２０重量％、軌道面の表面粗さを０．０１〜０．０３μｍＲａとした。また、転動体は、その表面粗さを０．００３〜０．０１０μｍＲａとした。
【００２０】
このように完成させた各深溝玉軸受について、下記に示す条件下で寿命試験を行った。この寿命試験は、各深溝玉軸受について１０回づつ試験を行った。その結果から、ワイブル分布関数に基づき、短寿命側から１０％の試験片に剥離が生じるまでの総回転時間を求め、これを寿命（Ｌ１０寿命）とした。この結果を、表１に併せて示す。
＜寿命試験条件＞
・潤滑剤：潤滑油
・ラジアル荷重：１３８００ＭＰａ
・回転数：４０００ｍｉｎ-1
表１に示すように、Ｏ，Ｔｉ，Ｎの各含有量が本発明の範囲内である実施例１〜５の各鋼で外輪を構成した深溝玉軸受は、いずれも長寿命であることが分かる。
【００２１】
また、実施例１〜５の各鋼で外輪を構成した深溝玉軸受は、極値統計法による推定値で、酸化物系介在物の最大径が４０〜５０μｍとなっており、Ｔｉ系介在物よりも大きな径であるにも関わらず、長寿命であることが分かる。この結果より、Ｏ含有量を本発明の範囲内にすれば、酸化物系介在物を寿命に影響を与えない範囲にできることが分かる。
さらに、Ｏ，Ｔｉ，Ｎの各含有量が本発明の範囲内であり、且つ、極値統計法による推定値で、Ｔｉ系介在物の最大径が本発明の範囲内である実施例１〜４の各鋼で外輪を構成した深溝玉軸受は、Ｏ，Ｔｉ，Ｎの各含有量が本発明の範囲内であり、且つ、極値統計法による推定値で、Ｔｉ系介在物の最大径が本発明の範囲外である実施例５の場合よりも長寿命であることが分かる。
【００２２】
一方、Ｏの含有量が本発明の範囲外である比較例１の鋼で外輪を構成した深溝玉軸受においては、極値統計法による推定値で、酸化物系介在物の最大径が５５μｍであるため、短寿命となっている。
また、Ｔｉの含有量が本発明の範囲外である比較例２の鋼で外輪を構成した深溝玉軸受においては、極値統計法による推定値で、Ｔｉ系介在物の最大径が２０μｍを超えるため、短寿命となっている。
さらに、Ｎの含有量が本発明の範囲外である比較例３の鋼で外輪を構成した深溝玉軸受においては、極値統計法による推定値で、Ｔｉ系介在物の最大径が２０μｍを超えるため、短寿命となっている。
【００２３】
図１は、表１に示す寿命結果と、高炭素クロム軸受鋼中のＴｉ含有量との関係を示すものである。なお、図１には、高炭素クロム軸受鋼中のＯ含有量およびＮ含有量が本発明の範囲内であるもののみを示した。
図１から分かるように、高炭素クロム軸受鋼中のＴｉ含有量が２５ｐｐｍ以下である場合に、長寿命が得られる。
図２は、表１に示す寿命結果と、極値統計法による推定値で、高炭素クロム軸受鋼の面積３００００ｍｍ2 あたりに存在するＴｉ径介在物の最大径との関係を示すものである。図２には、高炭素クロム軸受鋼中に含まれるＯ含有量が本発明の範囲内であるもののみを示した。
【００２４】
図２から分かるように、極値統計法による推定値で、高炭素クロム軸受鋼の面積３００００ｍｍ2 あたりに存在するＴｉ系介在物の最大径が２０μｍ以下である場合に、長寿命が得られる。
以上の結果より、深溝玉軸受を構成する外輪を、Ｏ，Ｔｉ，Ｎの各含有量が許容範囲内であり、且つ、極値統計法による推定値で、面積３００００ｍｍ2 あたりに存在するＴｉ系介在物の最大径が所定値以下の高炭素クロム軸受鋼で形成したことによって、長寿命な深溝玉軸受を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】高炭素クロム軸受鋼中のＴｉ含有量と、寿命との関係を示すグラフである。
【図２】極値統計法による推定値で、高炭素クロム軸受鋼の面積３００００ｍｍ2 あたりに存在するＴｉ系介在物の最大径と、寿命との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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